依托微型飞行器大学生创新性实验计划项目提高航空专业学生自主创新能力

2020-07-29张永杰赵志彬张晓化王海涛

高教学刊 2020年23期

张永杰　赵志彬　张晓化　王海涛

摘要：依据国家航空专业创新人才培养要求，依托国家大学生创新性实验计划项目，以新型微型飞行器为题，初步探讨了实验计划项目实施过程中自主创新意识培养、创新团队组成、微型飞行器设计制作、专业素养培育等问题，总结了项目指导过程中的一些经验做法和收获，期望对航空专业学生的自主创新能力培养有所裨益，能够为航空创新人才培养模式改革提供有价值的参考。

关键词：微型飞行器;大学生创新性实践项目;航空专业学生;自主创新

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2020）23-0039-04

Abstract： According to the training requirements of national aviation professional innovative talents， relying on the National University Students' innovative experimental program， taking the new micro air vehicle as the topic， this paper preliminarily discusses the cultivation of independent innovation consciousness， the composition of innovation team， the design and manufacture of micro air vehicle， the cultivation of professional quality and other issues in the implementation of the experimental program. Moreover， some experiences and gains are summarized during the project guidance process. It will be hoped that these experiences and gains can be helpful to the cultivation of independent innovation ability of aviation students and provide some valuable reference for the reform of training mode of aviation innovative talents.

Keywords： micro air vehicle; innovative practice project for college students; aviation students; independent innovation

一、概述

近年来，随着国家大学生创新性实验计划项目的实施和不断推进，许多高等院校以此为契机，开展了大量创新性实验计划项目[1-5]，成绩斐然。大学生们结合各自专业特点和兴趣爱好，选择合适的题目，在两年时间内完成计划项目内容。该项目由国家教育部和学校联合资助，院系提供支持条件;通过定期组织项目进展汇报、成果展示以及经验交流等活动[6-9]，评选出优秀的计划项目予以奖励，并推荐到“全国大学生创新论坛”。该项目极大促进了大学生创新实践能力的培养[10，11]，也为大学生提供了一个展示创意和才华的舞台。

本文探访了西北工业大学航空学院近十年来所开展的国家大学生创新性实验计划项目的部分指导教师，并对其中几个典型微型飞行器项目的指导过程进行了调研和剖析，初步总结了指导过程中的一些经验做法，期望为航空专业学生的创新能力培养提供一些有价值的参考。

二、以新型微型飞行器为题引导学生自主创新

微型飞行器具有结构简单、便于携带、控制灵活、成本低、易于实现等诸多优点，在军用和民用领域都极具应用价值，能够完成侦查、定位、勘探、救援、危险环境监测等多种复杂飞行任务。近年来，随着新型材料、微电机、微惯导以及飞行控制等技术的进步，很多国家都研制出了性能优异的微型飞行器，尤其以美国、德国、日本等国发展最为迅速。虽然我国在微型飞行器方面的研究起步稍晚，但是在微电机和飞行控制等领域已具有国际领先技术水平。

结合西北工业大学的航空专业特色，以新型微型飞行器的设计制作作为国家大学生创新性实验计划项目是非常理想的，不仅具有一定的实际应用价值，而且有利于学生将所学的专业知识应用于实践，激发学生的自主创新意识。从选题到设计、制作、试飞等各个环节，指导教师应为学生搭建一个实现创意的舞台，鼓励学生发散性思维、多角度思考，敢于尝试、勇于探索新的设计思想，提出自己的奇思妙想;积极引导学生将所学的专业知识活学活用，不断改进完善设计思想、精益求精。在微型飛行器的创新实践过程中，要始终以学生为主体，强化自主意识，使其由学习创新转变为自主创新，真正提高学生的自主创新能力。

三、机电结合跨专业组队发挥团队创造力

制作一个成功的微型飞行器，需要综合运用飞行器总体设计、气动外形设计、结构设计、动力装置选配、电子与控制组件设计等多学科知识，所以一个成功的创新团队应该是一个多学科多专业的有机组合，充分发挥各自专业优势，实现精细化设计和模块化制作的目标。由于所涉及的专业分属不同的学科和院系，所以机电结合、跨专业组队是最佳选择。

按照西北工业大学的专业和院系设置，飞行器总体设计、气动外形设计、结构设计等工作可由航空学院飞行器设计与工程专业学生承担，动力装置选配工作可由动力与能源学院飞行器动力工程专业学生承担，电子与控制组件设计工作可由自动化学院的自动化专业学生或航空学院的飞行器控制与信息工程专业学生承担。当然，想要最大程度地激发出学生的集体创造力，还需要根据实际情况合理地调整团队组成和专业分工，以达到协作创新的目的。例如，飞行器设计与工程专业的学生若在航模遥控、单片机设计等方面有丰富的经验，便可让其承担电子与控制组件的设计工作;同样如果自动化专业学生在翼面制作、电机装配等方面动手能力很强，也可安排其承担微型飞行器的机体设计和制作工作。不必过分强调专业分工，要根据学生的特长与兴趣安排具体工作，这样更容易发挥学生的主观能动性。例如，尝试让学生依据自己的特长、兴趣自行组队，成员间互相熟悉、配合默契，容易形成愉快的团队氛围，充分发挥团队协作优势。

四、由试制到试飞循序渐进激发学生创新意识

与真正的飞机研制相比，微型飞行器的设计制作简单得多，但是它们的研制过程是相似的，都要遵循由简到繁、循序渐进的原则。对于新型微型飞行器而言，试制是一个非常重要的基本环节，通过原型机的试制，学生能够发现前期设计的优缺点，及时改进不足;让学生在解决实际问题的同时，充分体会到飞机从设计到制造过程中的反复与艰辛，培养他们追求卓越、勇于进取的精神。

虽然通过原型机的试制已经暴露和改进了原有设计的不足，但是微型飞行器研制的成功与否还要由试飞来验证。总体布置是否合理？机体重量和结构强度是否满足要求？动力装置输出功率是否满足升力要求？整机的平衡和稳定性如何？电子与控制组件的协调性和灵敏度怎样、能否满足操控性要求？等等这些关键性的问题都需要在试飞过程中验证和解决。尽管学生们已对微型飞行器进行了初步结构强度校核、重量配置以及仿真模拟分析，然而实际制作过程中的加工精度、安装精度、测量工具等诸多因素都会影响制作质量和试飞效果。例如，下图5（a）所示“微影”微型飞行器的原型机，由于前期设计和试制过程中没有考虑电机安装的配平问题，导致机体重心偏移、试飞侧翻;在改进设计中将每个电机固定在其对应的螺旋桨下部，修正了重心位置，防止了侧翻。另外，原有设计中并未考虑突风对飞行的影响，而在改进的设计中通过添加外部平衡翼增强了抵抗突风的能力、提高了飞行稳定性;改进机型如图5（b）所示。诚然，从试制到成功试飞是在不断发现问题、解决问题、改进设计的迭代过程中实现的，学生将所学的专业知识灵活地运用到解决实际问题中，不仅加深了对飞机研制过程的认识，而且激发了他们的航空热情。从试制到成功试飞，每一次新发现和新认识，都是他们细致观察和积极思考的展现，每一次改进和完善，都是他们自主创新的收获。

五、依托学科专业环境提高学生专业素养

在新型微型飞行器的设计制作过程中，学生需要许多软硬件设备和实验室资源，除了本科生和研究生的创新基地外，指导教师应依托所在学科的专业环境，尽可能为学生提供所需的软硬件支持，鼓励学生积极参与科研活动，使学生有一个完整做科学研究的经历，提高其专业素养。

仿真计算分析是现代飞机设计的重要技术手段，让学生学习一些常用的仿真计算软件，能够提高微型飞行器的设计水平，也有利于加深学生对专业知识的认知。例如，在“微影”改进机型控制系统设计中，指导教师利用教研室单片机编程和测试工具，指导学生编写了飞行姿态反馈控制比例-微分（proportion-differentiation，PD）算法[12]，并将其应用于“微影”改进机型的飞行姿态控制[12]（控制流程如图6所示），效果显著（该成果已经发表于《机械科学与技术》，并被多次引用）。另外，在微型通用垂直/短距起降无人机[13]（如图7所示）设计中，指导教师指导学生学习了动力学分析软件，对螺旋桨旋转机构进行了优化设计，解决了垂直起降时旋转机构的刚度不足问题;通过垂直/短距起降无人机动力系统的分析计算，初步验证了基于升力风扇系统的垂直/短距起降技术在固定翼无人飞行器上应用的可行性，为此类无人飞行器的设计研发提供了有价值的技术参考[13]。此外，从元件加工到试验测试等诸多环节，指导教师可以依托所在实验室和创新基地的设备条件给学生提供支持，不仅提高了学生的实践能力和专业素养，而且有利于激发学生的创造潜力。

六、结束语

航空创新人才培养一直是航空专业院校的主要任务之一，依托国家大学生创新性实验计划项目，结合航空专业特点，以新型微型飞行器作为实验计划项目，从选题到设计、制作、试飞等各个环节，启发和鼓励学生的自主创新意识;培养学生战胜困難、勇于进取的精神和航空报国的崇高理想，不断探索航空创新人才培养的新模式，提高航空专业大学生的自主创新能力。

参考文献：

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